Eingebauter Sauerstoff verkürzt die Lebensdauer von Feststoffbatterien

Trotz hoher Sicherheit und Leistung begrenzt eine rasche Kapazitätsabnahme den Einsatz von Feststoffbatterien. Ein Team der TU Wien, HU Berlin und des HZB untersuchte diese Degradation nun an einer TiS₂|Li₃YCl₆-Halbzelle an der Synchrotronstrahlungsquelle BESSY II. Mittels einer speziellen Probenumgebung für zerstörungsfreie In-operando-Analysen identifizierte das Konsortium durch die Kombination von Weich- und Hart-Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS und HAXPES) einen neuen, sauerstoffinduzierten Schädigungsmechanismus. Die spektroskopischen Daten liefern entscheidende Ansätze zur Optimierung von Materialdesign und Zellfertigung.

Neue Probenumgebung entschlüsselt Grenzflächenprozesse in Feststoffbatterien

Feststoffbatterien (SSBs) bieten gegenüber konventionellen Systemen signifikante Vorteile bei Energie- und Leistungsdichte sowie der Betriebssicherheit durch den Verzicht auf brennbare Flüssigelektrolyte. Allerdings führen volumeninduzierte Spannungen beim Lithiumionen-Transport zu Rissbildungen im Feststoffkörper. Zur Aufrechterhaltung des Phasenkontakts zwischen Elektrode und Elektrolyt ist daher ein hoher Stapeldruck im Betrieb zwingend erforderlich – ein Umstand, der zusammen mit Degradationsprozessen an den Grenzflächen die Zykl Lebensdauer limitiert und eine In-operando-Analytik bislang nahezu unmöglich machte. Dr. Elmar Kataev hat nun eine spezialisierte Probenumgebung entwickelt, die eine zerstörungsfreie Operando-Analyse von SSBs unter realem Hochdruck mittels kombinierter weicher und harter Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS und HAXPES) an der SISSY-Endstation des BESSY II erlaubt. Diese simultane Erfassung von Oberflächen- und Volumeneigenschaften am identischen Messpunkt ist exklusiv über die EMIL-Strahlführung realisierbar.

Selektive Grenzflächen-Analytik

In Kooperation mit Dr. Katherine Mazzio von der TU Wien gelang es dem Konsortium erstmals, chemische Prozesse an Oberflächen präzise von denen an vergrabenen Grenzflächen zu differenzieren und die Degradationsmechanismen von TiS₂|Li₃YCl₆-Halbzellen detailliert aufzuklären. „Wir haben überraschende Erkenntnisse gewonnen, insbesondere hinsichtlich der schädlichen Rolle, die intrinsischer Sauerstoff spielt“, sagt Mazzio. „Wir haben beobachtet, dass während des Zykluszyklus sauerstoffhaltige Spezies in Richtung des Kathodenstromkollektors wandern, wo sie mit dem aktiven Elektrodenmaterial nahe der Grenzfläche zum Stromkollektor reagieren.“ Dieser Transportprozess initiiert die Bildung einer amorphen, titanoxidreichen Phase, welche als primäre Ursache für den rasanten Kapazitätsverlust identifiziert wurde.

Diese spektroskopischen Befunde besitzen hohe Relevanz für die SSB-Entwicklung, da sie zeigen, dass die Sauerstoffkontamination bereits bei der Synthese der Ausgangsmaterialien minimiert werden muss – beispielsweise durch eine konsequente Prozessführung unter Inertgasatmosphäre.

Quelle

Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH (05/2026)